前言

      科學(xué)家常會(huì)感到通過自己的研究工作在不斷地認(rèn)識自我。物理學(xué)家在他們的工作中認(rèn)識到了這一點(diǎn)，同樣，心理學(xué)家和化學(xué)家也認(rèn)識到了這一點(diǎn)。在機(jī)器人學(xué)的研究中，研究領(lǐng)域和研究者自身之間的關(guān)系尤為明顯。與僅追求分析的自然科學(xué)不同，當(dāng)前機(jī)器人學(xué)所追求的是偏重于綜合的工程學(xué)科。也許正是這個(gè)原因，這個(gè)領(lǐng)域才使我們當(dāng)中的許多人著迷。

　　機(jī)器人學(xué)研究的是怎樣綜合運(yùn)用機(jī)械裝置、傳感器、驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人類某些方面的功能。顯然，這是一項(xiàng)龐大的任務(wù)，它必然需要運(yùn)用各種“傳統(tǒng)”領(lǐng)域的研究思想。
　　現(xiàn)今，機(jī)器人學(xué)諸方面的研究工作都是由不同領(lǐng)域的專家進(jìn)行的。通常沒有一個(gè)人能夠完全掌握機(jī)器人領(lǐng)域的所有知識。因此，自然有必要對這個(gè)研究領(lǐng)域進(jìn)行劃分。在更高的層次上，可把機(jī)器人學(xué)劃分為4個(gè)主要領(lǐng)域：機(jī)械操作、移動(dòng)、計(jì)算機(jī)視覺和人工智能。
　　本書介紹機(jī)械操作的理論和工程知識。機(jī)械操作這一機(jī)器人學(xué)分學(xué)科是建立在幾個(gè)傳統(tǒng)學(xué)科基礎(chǔ)之上的。主要的相關(guān)學(xué)科有力學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)。在本書中，第1~8章包括機(jī)械工程和數(shù)學(xué)的主題，第9~11章為控制理論的題材，第12~13章屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)的內(nèi)容。另外，本書從始至終強(qiáng)調(diào)通過計(jì)算解決問題，例如，與力學(xué)密切相關(guān)的每一章都有一節(jié)簡要介紹計(jì)算方面的問題。
　　本書源于斯坦福大學(xué)1983~1985秋季學(xué)期的“機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論”的講稿。前3版在1986~2016年被許多大學(xué)采用。第4版得益于這一廣泛應(yīng)用，并且根據(jù)多方面的反饋意見做了修改和改進(jìn)。在此，向?qū)Ρ緯�作者提出修正意見的所有人表示感謝。
　　本書適用于高年級本科生或者低年級研究生課程。選修此課程的學(xué)生如果學(xué)過靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)這兩門基礎(chǔ)課程，同時(shí)學(xué)習(xí)過線性代數(shù)，并且能夠使用計(jì)算機(jī)高級語言編程，將是有幫助的。此外，雖然不必先修控制理論的入門課程，但學(xué)過這門課程也是有益的。本書的目標(biāo)之一是以簡單、直觀的方式介紹機(jī)器人學(xué)的知識。特別需要指出的是，雖然本書很多內(nèi)容選自機(jī)械工程領(lǐng)域，但本書的讀者不必是機(jī)械工程師。在斯坦福大學(xué)，很多電氣工程師、計(jì)算機(jī)科學(xué)家、數(shù)學(xué)家都認(rèn)為本書具有很強(qiáng)的可讀性。
　　雖然本書直觀上適合機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)工程師使用，但是對于任何將要從事機(jī)器人研究工作的人，本書內(nèi)容都是重要的背景資料。就像軟件開發(fā)人員通常要了解一些硬件知識一樣，不直接從事機(jī)器人的機(jī)械和控制研究的人員，也應(yīng)當(dāng)具備一些本書提供的背景知識。
　　與第3版一樣，第4版分為13章。本書的材料適合一學(xué)期講授，如果要在半學(xué)期內(nèi)講授，教師需要略去一些章節(jié)。即便如此，仍然無法深入講解所有專題。本書在編寫時(shí)從某些方面考慮了這一點(diǎn)，例如，多數(shù)章只采用一種方法去解決常見的問題。編寫本書的主要挑戰(zhàn)之一就是盡量在限定的教學(xué)時(shí)間內(nèi)為每個(gè)主題合理地分配時(shí)間。為此，我的辦法是只考慮那些直接影響機(jī)器人機(jī)械操作的材料。
　　在每章的最后都有一組習(xí)題。在每道習(xí)題題號后的方括號中給出習(xí)題的難度系數(shù)。難度系數(shù)在［00］到［50］之間。［00］是最簡單的題目，［50］是尚未解決的研究性問題。�…∥也捎昧伺cD�盞nuth所著《The Art of Computer Programming》(Addison�瞁esley出版)同樣的難度等級。
　　當(dāng)然，一個(gè)人認(rèn)為困難的問題，另一個(gè)人可能認(rèn)為容易，因此，一些讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)那些難度系數(shù)在某些情況下會(huì)引起誤解。不過，我們盡力評估了這些習(xí)題的難度。
　　在每章的末尾，布置了編程作業(yè)，學(xué)生可以把相應(yīng)章的知識應(yīng)用到一個(gè)簡單的三關(guān)節(jié)平面操作臂中。這個(gè)簡單的操作臂足以用來證明大多數(shù)一般操作臂的所有原理，而不會(huì)使學(xué)生陷入過于復(fù)雜的問題中。每個(gè)編程作業(yè)都建立在前一個(gè)作業(yè)的基礎(chǔ)上，到課程結(jié)束時(shí)，學(xué)生就會(huì)得到一個(gè)完整的操作臂軟件程序庫。
　　另外，第1~9章共有12道MATLAB練習(xí)。這些練習(xí)由俄亥俄大學(xué)的Robert L�盬illiamsⅡ教授編寫，我對他所做的貢獻(xiàn)深表感謝。這些練習(xí)可以配合澳大利亞CSIRO首席研究科學(xué)家Peter Corke編寫的MATLAB機(jī)器人工具箱（Robotics Toolbox）使用。�…￡P(guān)于MATLAB機(jī)器人工具箱，請?jiān)L問http://petercorke�眂om/Robotics_Toolbox�県tml。
　　第1章是機(jī)器人學(xué)的介紹，介紹一些背景資料、基本思想和本書所使用的符號，并概述后面各章的內(nèi)容。
　　第2章包括描述三維空間中的位置與姿態(tài)的數(shù)學(xué)知識。這是極為重要的內(nèi)容：通過定義，機(jī)械操作本身與周圍空間的移動(dòng)物體（工件、工具、機(jī)器人自身）聯(lián)系起來。我們需要用一種易于理解并且盡可能直觀的方式來描述這些動(dòng)作。
　　第3章和第4章討論機(jī)械操作臂的幾何問題，介紹機(jī)械工程學(xué)科中的運(yùn)動(dòng)學(xué)分支，這個(gè)分支研究運(yùn)動(dòng)但不考慮引起這種運(yùn)動(dòng)的力。在這兩章里，我們討論操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)，但把研究范圍限定在靜態(tài)定位問題上。
　　第5章我們將運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究范圍擴(kuò)展到速度和靜力方面。
　　第6章我們開始研究引起操作臂運(yùn)動(dòng)的力和力矩。這就是操作臂動(dòng)力學(xué)問題。
　　第7章描述操作臂在